南海超深水井鉆井隔水管懸掛模式的環(huán)境適應性分析*

盛磊祥 王榮耀 許亮斌 周建良 李迅科

(1. 中海油研究總院 北京 100028; 2. 長沙礦山研究院有限責任公司 湖南長沙 410012)

南海超深水井鉆井隔水管懸掛模式的環(huán)境適應性分析*

盛磊祥1王榮耀2許亮斌1周建良1李迅科1

(1. 中海油研究總院 北京 100028; 2. 長沙礦山研究院有限責任公司 湖南長沙 410012)

每年7月至11月為南海海域臺風高發(fā)期，頻繁的臺風嚴重影響了深水鉆井作業(yè)效率和安全。對于超深水(水深大于1 500 m)鉆井，在臺風到達井位之前完成井口處理和隔水管回收，時間是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，因此一旦遭遇臺風，撤離鉆井平臺須考慮懸掛隔水管的備用方案。以南海某超深水井(水深2 460 m)為例，分析了鉆井隔水管硬懸掛和軟懸掛模式下影響隔水管安全的主要因素，探討了各個因素對波浪和海流的適應能力與敏感性。研究結(jié)果表明，多數(shù)條件下軟懸掛隔水管模式對波浪和海流的適應能力更強，硬懸掛模式下隔水管系統(tǒng)的安全性主要受限于應力和撓性接頭轉(zhuǎn)角，軟懸掛模式下隔水管系統(tǒng)的安全性主要受限于撓性接頭轉(zhuǎn)角和伸縮節(jié)沖程。上述認識可對深水鉆井隔水管系統(tǒng)安裝和應急懸掛條件下的作業(yè)安全提供參考。

南海；超深水；隔水管；懸掛模式；臺風；環(huán)境適應性

我國南海是熱帶風暴多發(fā)區(qū)域，每年7—11月為臺風高發(fā)期，頻繁的臺風嚴重影響深水鉆井作業(yè)效率和人員及設備安全。作為連接水下井口與鉆井平臺之間的關(guān)鍵設備，鉆井隔水管直接面對海洋波流環(huán)境條件和來自平臺運動的激勵載荷，在臺風等惡劣的環(huán)境條件下很容易受到破壞，因此臺風來臨前鉆井隔水管系統(tǒng)的處理方式是作業(yè)者和鉆井承包商共同關(guān)注的重點[1]。避臺撤離期間常規(guī)做法是回收全部隔水管單根后撤離平臺避臺，但隨著水深的增加，隔水管回收時間不斷增加，尤其是在超深水鉆井時極有可能出現(xiàn)臺風到達井位時隔水管未完全收回，起出全部隔水管則需要耗費較長的作業(yè)時間。以南海某超深水井為例(水深2 460 m)，起出所有的隔水管大概需要5～6 d時間，而目前的天氣預報對臺風軌跡的預測只能達到提前5 d左右，因此不管是從作業(yè)時效還是從安全角度考慮，懸掛隔水管避臺或者抗臺已成為超深水鉆井必須面對的挑戰(zhàn)。本文針對超深水無法保證隔水管全部回收的特殊工況，建立隔水管懸掛模式分析模型，重點討論不同隔水管懸掛模式對海洋環(huán)境(波浪和海流)的適應能力，分析不同懸掛長度條件下影響隔水管安全性能的因素，以期為深水鉆井平臺臺風期作業(yè)隔水管系統(tǒng)的安全提供保障。

1 隔水管懸掛分析模型的建立

臺風來臨時深水鉆井隔水管的快速處理對避臺撤離至關(guān)重要。為減少回收下放隔水管的作業(yè)時間和操作風險，將隔水管懸掛于鉆井平臺上是一種備用的方案。

隔水管在懸掛狀態(tài)下的動力學方程為

(1)

式(1)中：z為隔水管軸向位移，m；x為水平方向位移，m；EI為單元的抗彎剛度，N·m2；Te為張力，N；m為隔水管單位長度質(zhì)量，kg/m；f為單元上波浪和海流的聯(lián)合作用力，N。

波浪和海流對隔水管的聯(lián)合作用，可以通過修正的莫里森方程模擬，即

(2)

根據(jù)上部邊界條件的差異，隔水管懸掛模式分為2類[2-7]：硬懸掛和軟懸掛。硬懸掛是指隔水管與井口完成脫離后通過安裝工具坐于轉(zhuǎn)盤面上，與平臺剛性連接(圖1a)，隔水管上部通過隔水管懸掛裝置與鉆井船相連，鉆井船運動對隔水管的激勵由傳遞函數(shù)算子(RAO)來確定。軟懸掛是指隔水管通過張緊器處進行懸掛，隔水管系統(tǒng)的重量由張緊系統(tǒng)承擔，伸縮節(jié)打開處于啟用狀態(tài)(圖1b)。

圖1 隔水管懸掛模式

以南海某超深水井(水深2 460 m)為例，根據(jù)隔水管懸掛限制準則[8-11]進行隔水管懸掛安全性能評價。該井位于南海東北部區(qū)塊，區(qū)域波流載荷重現(xiàn)期波流載荷及速度見表1、2，隔水管系統(tǒng)配置見表3。

表1 南海臺風工況不同重現(xiàn)期下波流載荷

表2 南海臺風工況海流不同重現(xiàn)期波流速度

表3 南海某超深水井鉆井隔水管系統(tǒng)配置

2 隔水管懸掛模式環(huán)境適應性分析

2.1 硬懸掛模式

2.1.1 所有隔水管均不回收

懸掛所有隔水管單根時，計算得到的影響硬懸掛安全性能的主要限制因素見表4。由表4可以看出，當海流較小(表面流速≤1.46 m/s)時，硬懸掛作業(yè)窗口的主要限制因素為隔水管的軸向動態(tài)壓縮效應，因為在較大波高下平臺升沉幅度大，導致隔水管出現(xiàn)軸向壓縮(張力為負)，同時由于隔水管出現(xiàn)軸向屈曲，等效應力也超出了極限值；當海流較大(表面流速>1.46 m/s)時，由海流引起的拖曳力導致隔水管上部彎曲應力增加，由于極限波高較小，隔水管尚未出現(xiàn)軸向壓縮，等效應力成為主要限制因素。

表4 懸掛全部隔水管單根硬懸掛的主要限制因素

注：“√”表示該項因素在許可范圍內(nèi)；“×”表示該項因素超過許可值。

2.1.2 回收一半隔水管(LMRP位于中間水深位置)

LMRP位于中間水深位置時，計算得到的影響硬懸掛安全性能的主要限制因素見表5。由表5可以看出，LMRP位于中間水深位置時，硬懸掛作業(yè)窗口的主要限制因素為隔水管的最大等效應力，隔水管上部傾角和軸向力均在許可范圍內(nèi)。回收部分隔水管單根后，隔水管串系統(tǒng)的整體懸掛質(zhì)量變小，隨平臺升沉運動的慣性力也變小，因而不容易出現(xiàn)軸向壓縮。因此，從防范隔水管軸向壓縮的方面考慮，回收隔水管單根有利于改善隔水管系統(tǒng)的整體性能。

表5 LMRP位于中間水深位置硬懸掛的主要限制因素

注：“√”表示該項因素在許可范圍內(nèi);“×”表示該項因素超過許可值。

2.1.3 回收大部分隔水管(LMRP位于水面附近)

解脫LMRP后回收一定數(shù)量的隔水管，當LMRP位于水面附近(LMRP位于水面以下30 m左右)時，計算得到的隔水管硬懸掛的主要限制因素見表6。由表6可以看出，當海流較小(表面流速≤1.83 m/s)時，硬懸掛的主要限制因素為隔水管最大等效應力；當海流較大(表面流速>1.83 m/s)時，硬懸掛的主要限制因素為隔水管上部傾角，這是由于LMRP具有較大的曳力外徑，在表面流速較大時隔水管上部會出現(xiàn)較大的彎曲變形。

表6 LMRP接近水面時隔水管硬懸掛的主要限制因素

注：“√”表示該項因素在許可范圍內(nèi);“×”表示該項因素超過許可值。

通過對比表4～6不同懸掛長度下的硬懸掛作業(yè)限制因素可以看出，回收隔水管單根可以減小隔水管軸向壓縮的風險，降低等效應力水平，但是在LMRP接近水面時，海流影響加強，可能引起隔水管上部傾角超出許可值，需要引起注意。

由表4～6可以得出隔水管硬懸掛模式安全作業(yè)窗口，如圖2所示。由圖2可以看出，回收隔水管單根可以增大硬懸掛隔水管對表面流速度(海流)的適應能力，但是對于波浪的適應能力改善并不明顯。

2.2 軟懸掛模式

2.2.1 所有隔水管均不回收

懸掛所有隔水管單根時，計算得到的影響軟懸掛安全性能的主要限制因素見表7。由表7可以看出，懸掛全部隔水管單根軟懸掛的主要限制因素為隔水管上部傾角。

圖2 隔水管硬懸掛模式安全作業(yè)窗口

表7 懸掛全部隔水管單根軟懸掛的主要限制因素

注：“√”表示該項因素在許可范圍內(nèi);“×”表示該項因素超過許可值。

2.2.2 回收一半隔水管(LMRP位于中間水深位置)

解脫LMRP后回收一定數(shù)量的隔水管，當LMRP位于中間水深位置時，計算得到的隔水管軟懸掛的主要限制因素見表8。由表8可以看出，當海流較小(表面流速≤2.20 m/s)時，LMRP位于中間水深位置軟懸掛的主要限制因素為伸縮節(jié)行程；當海流較大(表面流速>2.20 m/s)時，懸掛的主要限制因素變?yōu)楦羲苌喜績A角。

表8 LMRP位于中間水深位置軟懸掛的主要限制因素

注：“√”表示該項因素在許可范圍內(nèi);“×”表示該項因素超過許可值。

對比全部懸掛(表7)和懸掛一半隔水管單根(表8)時影響作業(yè)窗口的限制因素，可以看出回收一半隔水管單根后，軟懸掛作業(yè)窗口允許的波流條件反而變小，其原因是回收一半隔水管單根后隔水管系統(tǒng)重量減小，導致隔水管運動幅值增大，至超過伸縮節(jié)行程限制時許可的波浪載荷變小。

2.2.3 回收大部分隔水管(LMRP位于水面附近)

LMRP位于水面附近時，計算得到的隔水管軟懸掛的主要限制因素見表9。由表9可以看出，LMRP位于水面附近時，隔水管軟懸掛的主要限制因素為隔水管最大等效應力。

表9 LMRP位于水面附近軟懸掛的主要限制因素

注：“√”表示該項因素在許可范圍內(nèi)；“×”表示該項因素超過許可值。

由表7～9可以得出隔水管軟懸掛模式安全作業(yè)窗口，如圖3所示。由圖3可以看出，軟懸掛模式下回收隔水管單根對改善隔水管懸掛性能的效果并不明顯，不同懸掛長度時安全窗口范圍差別不明顯。

圖3 隔水管軟懸掛模式安全作業(yè)窗口

3 結(jié)論

1) 隔水管軟懸掛模式安全作業(yè)窗口整體上要優(yōu)于硬懸掛模式，即同樣懸掛長度下，軟懸掛模式的安全性能比硬懸掛模式好，軟懸掛能夠適應較為惡劣的波流環(huán)境條件。因此，在緊急情況下，如果需要懸掛隔水管，在時間允許的條件下優(yōu)選軟懸掛模式。

2) 隔水管硬懸掛模式下，由于平臺升沉運動直接傳遞到隔水管上，易造成隔水管的軸向動態(tài)壓縮或等效應力超過屈服極限值；當隔水管回收至近海面時，海流影響加強，強表面流使隔水管發(fā)生大的傾斜，導致隔水管上部傾角成為影響懸掛窗口的制約因素。因此，硬懸掛模式下需要加強對隔水管應力和轉(zhuǎn)角的監(jiān)測，以確保安全。

3) 隔水管軟懸掛模式下，海流曳力造成的隔水管傾角是影響軟懸掛作業(yè)窗口的重要因素；當隔水管回收到一定數(shù)量時，懸掛重量減少，軸向升沉運動加劇，平臺設備能力(伸縮節(jié)沖程)成為軟懸掛作業(yè)窗口的制約因素。因此，軟懸掛模式下需要加強轉(zhuǎn)角和伸縮節(jié)沖程監(jiān)測，以確保安全。

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(編輯：孫豐成)

Analysis of suitability of drilling riser hang-off modes in the typhoon condition of South China Sea

Sheng Leixiang1Wang Rongyao2Xu Liangbin1Zhou Jianliang1Li Xunke1

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China;2.ChangshaInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.,Changsha,Hunan410012,China)

Typhoons, which are frequent from July to November every year in South China Sea, seriously threaten the efficiency and safety of deep water drilling operations. In deep water areas (deeper than 1 500 m), it is a big challenge to get the wellbore prepared and pull out all the riser joints before the arrival of a typhoon because of the limited T-time (typhoon preparation time), so the hang-off mode should be considered as a backup response plan. In this paper, an ultra-deep water well (about 2 460 m) was analyzed as an example. Based on deep water well drilling data, different hang-off modes, i.e., soft hang-off and hard hang-off, were analyzed, as well as suitability of different factors to metocean. According to the analysis, in most cases soft hang-off mode is safer than hard hang-off mode. Safety performance of hard hang-off riser is limited by the stress of riser and angle of up flex joint; in comparison, soft hang-off mode is limited by angle of up flex joint and stroke of telescope joint. The findings provide references for drilling riser installation and hang-off operation in emergency situations.

South China Sea; ultra-deep water; drilling riser; hang-off mode; typhoon; metocean suitability

*國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究(編號：51434009)”、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)“深水海底井口-隔水管-平臺動力學耦合機理與安全控制(編號：2015CB251203)”、“十二五”國家科技重大專項“深水鉆完井工程技術(shù)(編號：2011ZX05026-01)”部分研究成果。

盛磊祥, 男，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(華東)，現(xiàn)主要從事海上油氣田完井設計、深水鉆完井技術(shù)的研究工作。地址: 北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院(郵編：100028)。E-mail: shenglx@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)04-0114-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.018

TE921+.2

A

2015-03-26 改回日期：2015-09-02

盛磊祥,王榮耀,許亮斌，等.南海超深水井鉆井隔水管懸掛模式的環(huán)境適應性分析[J].中國海上油氣，2016,28(4)：114-119.

Sheng Leixiang,Wang Rongyao,Xu Liangbin,et al.Analysis of suitability of drilling riser hang-off modes in the typhoon condition of South China Sea[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(4):114-119.